박테리아에서 인조실크 뽑는다

美 워싱턴大 연구진, 아미노산 서열 수정…고분자 아밀로이드 단백질 생성

TIN뉴스 | 기사입력 2021/07/22 [13:07]

고분자 아밀로이드 섬유(Polymeric amyloid fiber)

철·케블라·천연 거미줄실크 대비 강도와 인성 모두 높아

 


미국 세인트루이스의 워싱턴대학 엔지니어링 스쿨(McKelvey School of Engineering) 연구진이 박테리아에서 인조 실크를 생산하는데 성공했다. 거미줄은 지구상에서 가장 강하고 질긴 재료 중 하나다. 연구진이 개발한 아밀로이드-실크 하이브리드 단백질은 거미줄보다 성능이 뛰어나다.  

 

연구진은 이 인조 실크를 ‘고분자 아밀로이드 섬유(Polymeric amyloid fiber)’라고 명명했다. 에너지환경 및 화학공학부 Fuzhong Zhang 교수 연구진은 인조 실크를 생산하기 위해 우선 박테리아를 유전적으로 조작했다.  Fuzhong Zhang 교수는 이미 2018년에도 천연 거미줄과 동등한 성능을 가진 거미줄을 생산하는 박테리아를 조작한 연구 경험이 있다.

 

이번 연구에서는 Fuzhong Zhang 교수 연구진의 박사과정 학생이자 제1저자인 Jingyao Li를 포함하는 연구팀은 거미줄 단백질의 아미노산 서열을 수정해 거미줄 특징 중 일부를 유지하면서 새로운 특성을 도입하는데 성공했다.

 

천연 거미 실크 시퀀스에서 변형 없이 재조합 거미 실크 섬유와 관련된 문제는 강도에 기여하는 천연 거미 실크의 주요 구성요소인 ‘β-나노결정(β-nanocrystals)’을 어떻게 만들어 내느냐였다. 그 과정에서 거미가 원하는 양의 β-나노결정으로 섬유를 회전시키는 방법을 알아냈다. 그러나 인간이 인공 방적공정을 사용할 때 합성 실크섬유의 나노 결정 양은 종종 천연섬유보다 적게 생산되기도 했다.

 

이러한 문제를 해결하기 위해 연구진은 β-나노 결정을 형성하는 경향이 높은 아밀로이드 서열을 도입해 실크 서열을 재설계했다. 그 중 비교적 완성도가 높은 3개의 아밀로이드 서열을 이용해 고분자 아밀로이드 단백질을 만들어냈다. 이 단백질은 거미줄보다 덜 반복되는 아미노산 서열을 가지고 있어 조작된 박테리아가 더 쉽게 생산할 수 있었다.

 

박테리아는 128개의 반복 단위를 가진 하이브리드 고분자 아밀로이드 단백질을 만들어 냈다. 유사한 반복 단위를 가진 거미줄 단백질의 재조합 발현은 어려운 것으로 입증됐다.

 

 

단백질이 길수록 섬유질은 더 강하고 단단해진다. 128회 반복되는 단백질은 일반 강철보다 더 강한 GPa(10억N/㎡)의 인장강도(고정 직경의 섬유를 끊는데 필요한 힘의 측정치)를 나타냈다.

 

섬유의 인성(섬유를 끊기 위해 얼마나 많은 에너지가 필요한지 측정)은 케블라(Kevlar) 및 이전의 모든 재조합 실크 섬유보다 높았다. 결과적으로 강도와 인성은 보고된 일부 천연 거미실크섬유보다 훨씬 높았다.

 

연구진은 “이번 연구는 이제 막 시작이다. 자연에서 가장 좋은 물질을 능가하는 물질을 생산하기 위해 생물학을 조작할 수 있음을 보여준 사례이며, 이 작업은 잠재적으로 천연 거미줄의 특성을 향상시킬 수 있는 서로 다른 아밀로이드 서열의 3,000개 중 3개에 불과하다”며, “우리의 플랫폼을 활용해 고성능 재료를 엔지니어링 하는 데는 무한한 가능성이 있다”고 강조했다. 이번 연구는 미국 농무부와 해군연구소 지원을 받아 진행됐으며, 관련 연구는 저널 ACS Nano에 게재됐다.

 

장웅순 기자 tinnews@tinnews.co.kr

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